Enfase transformer med høj lynimpulstålmodighed

1 Introduktion

For at sikre sikkert drift af jernbaner og reducere risikoen for lynskader på jernbane-telekommunikationskontrolsystemer, har forfatteren specielt forsket og designet en enefase serie-transformator med en relativt høj impuls-spændingstålmodighed, med modellnummer D10 - 1.2 - 30/10. Denne transformator er udstyret med et oliebeholder og anvender en helt lukket struktur (den kan også designes som en tørr-type struktur efter reelle behov). Denne serie af transformatorer er et specialiseret enhed til jernbane-kontrolsignaler og kan også anvendes i små skalaers elforsynings-scenarier af industri- og landbrugs-elnet, hvilket giver en vis universalitet.

2 Analyse af lyn og dets farer
2.1 Fysiske karakteristika af lyn

Lyn er i grundlæggende en ikke-periodisk chokbølge. Den foreste del af bølgen stiger meget hurtigt og falder derefter langsomt. På grund af den ekstremt store stigningshastighed af lynbølgen, kan den forårsage meget alvorlige skader på elektriske anlæg.

2.2 Klassificering og årsager til lyn

Lyn deles hovedsageligt ind i to typer: direkte lyn og induceret lyn. Direkte lyn er en form for lyn, der virker direkte på ledninger eller anlæg. Selvom den forårsagede skade er ekstremt stor, er den faktiske sandsynlighed for forekomst relativt lav; dog er de fleste lyn-skadeulykker forårsaget af induceret lyn. Induceret lyn er yderligere underopdelt i elektrostatisk induceret lyn og elektromagnetisk induceret lyn: Elektrostatisk induceret lyn opstår ved over-spændingen, der induceres af torden-skyens elektriske felt mellem luftledningen og jorden; Elektromagnetisk induceret lyn skyldes over-spændingen, der optræder på linjen på grund af det elektromagnetiske induktionseffekt, når torden-skyen nær linjen udlader sig. Dog er dens påvirkningsgrad meget mindre end den for elektrostatisk induceret lyn.

2.3 Farlige manifestationer af lyn på transformatorer

Under den faktiske driftsproces, finder ulykker med transformatorer, der bliver skadet af lynslag, sted fra tid til anden. Sådanne ulykker vil ikke kun forårsage skade på selve transformator, men også skade på sekundære anlæg gennem bølge-effekten, hvilket fører til en bredere omfang af fejlindvirkning.

2.4 Mekanisme for transformatorskade ved lynbølger

Skaden på transformatorer af lynbølger kommer hovedsageligt fra to faktorer: For det første er impuls-spændingsværdien ret høj, der når op til maksimalt 8-12 gange fase-spændingen; For det andet vil lynbølgen forårsage en høj koncentration af elektrisk felt, hvilket vil skade isolationsydelserne på transformator. Under virkningen af chokbølgen, kan hovedisoleringen på transformator blive skadet. Dette skyldes, at lynbølgen har en høj frekvens og en stejl bølgefront, hvilket vil gøre potentielle gradienten i begyndelsen af vindingen opnår den maksimale værdi, hvilket gør den longitudinale isolation ekstremt let at bryde ned.

2.5 Overførsel af lynchokbølgespændinger i transformatorvindinger

Når en lynchokbølge virker på primær-vindingen af en transformator, vil spændingen på vindingen stige hurtigt, hvilket er ligesom at anvende en højspænding med en meget høj frekvens. I dette tilfælde, vil der også opstå en over-spænding på sekundær-siden. På grund af eksistensen af elektrostatiske kapacitiv kopling og magnetfelt kopling mellem primær- og sekundær-vinding, selvom den over-spænding, der opstår på sekundær-siden, er relateret til transformationsforholdet, er det ikke et simpelt transformationsforhold. I nogle specifikke situationer, kan denne over-spænding langt overstige isolationsniveauet på sekundær-vindingen og de elektriske anlæg, den bærer, og endelig føre til skade på de elektriske anlæg, der er forbundet til sekundær-vindingen. Over-spændingen, der virker på sekundær-vindingen, består både af en elektrostatisk komponent og en elektromagnetisk komponent. Den elektromagnetiske komponent kan beregnes ved hjælp af formlen me/n (i formlen, n er transformationsforholdet, e er spændingen på primær-siden, m er koplingskoefficienten, og den approksimative værdi er 1).

Stray kapacitancer findes mellem en transformators primær- og sekundær-vinding og mellem vindinger og jorden. Når en impuls-spænding anvendes mellem primær-vindingen og jorden, afhænger den elektrostatiske impuls-spænding på sekundær-siden af de fordelt kapacitancer mellem vindinger og jorden, ikke vindingforholdet. Overførsels-spændingen t₂ mellem sekundær-vindingen og jorden er t₂ =&t₁(&: overførsels-/spændings-overførselskoefficient; t₁: impuls-spænding på primær-jord).

3 Enefase-transformatorer med høj impuls-spændingstålmodighed

En elforsynings-transformators overførselskoefficient (t₂/t₁) ligger normalt i intervallet 0.2-0.9; en testet transformator havde 0.25. Transformatorer undergår rated lynimpuls-tålmodighedsprøver ifølge spændingsniveauer/nationale standarder. Dette produkt (10 kV net, testet ved 15 kV) led ingen skade. Specielt designet, minimerer høj-impuls-spændingstålmodigheds-transformatoren sekundær over-spænding, modstandsdygtighed over for lynchok, blokering af støjstrømme og forbedring af elektrisk ydeevne. Testet af Jernbanevidenskabsakademiet, dets overførselskoefficient ≤ 1/200, reducerer chokbølgeoverførsel fra primær til sekundær under 1/200. Effektiv til beskyttelse af lavspændingsudstyr mod lyn, kræver det pålidelig jordforbindelse (potentialets forskelle under lyn kan skade udstyr; jordforbindelse af skallen balancerer potentialer, reducerer impuls-spænding). Indtrængelsesveje for impuls-spænding i lavspændingsudstyr er komplekse (primær/sekundær/jordside; enten enkelt eller samtidig). Pålidelig jordforbindelse er nøgle.

4 Konklusion

Den enefase serie-transformator (med oliebeholder, høj impuls-spændingstålmodighed) opgiver traditionelle oliebeholder-strukturer, opnår materialbesparelse, let bearbejdning og attraktivt design. Den enefase oljeindholdte serie (med oliebeholder/helt lukket) har høj lynimpulstålmodighed, reducerer over-spænding, beskytter sekundærudstyr og reducerer strømledningsstøj for elforsynings-lynsbeskyttelse. Siden 1990'erne, har mange sådanne transformatorer opereret over jernbanestyrelser (vandkraft/signal/elforsynings-sektioner osv.), dækker de fleste stationer, især lyn-prone områder. Bevist i torden, de byder på lav tab, materialbesparelse, energieffektivitet og pålidelighed, sikrer elektriske udstyr sikkerhed. Med jernbanemodernisering og teknologisk fremskridt, vil disse transformatorer se bredere brug.